主動式磁回熱器

單級 AMR 是一個裝有磁性工質材料的多孔填料床。其中用磁性材料製成的多孔填料床既作為與換熱流體換熱的回熱材料又作為產生冷量的製冷工質 。回熱器內換熱流體流經回熱器帶走(進)熱量到外部換熱 。

基本介紹

• 中文名：主動式磁回熱器
• 外文名：Active Magnetic Regenerator
• 縮寫：AMR
• 別稱一：活性蓄冷器
• 別稱二：主動式回熱器
• 屬性：磁製冷機
• 工作原理：磁製冷工質的磁熱效應

簡介

用於室溫磁製冷機中的回熱器可分為 3 種形式：外部回熱器；內部回熱器；主動式回熱器(Active Magnetic Regenerator，AMR，又稱活性蓄冷器)。在 AMR 循環中，主動式磁回熱器中的磁性材料既是磁性工質又是回熱材料。這種形式可以減少外部回熱器形式中二次換熱產生的不可逆損失，還可以減少內部回熱器形式中的不同溫度的蓄冷液體混合產生的不可逆損失。因此，AMR 逐漸成為室溫磁製冷機回熱器的主要研究方向。

工作原理

圓柱形的 AMR 填充床中裝有顆粒狀的磁製冷工質，顆粒之間存在一定的空隙率。對 AMR 填充床施加周期性的磁場，同時由泵驅動流體周期性往返流動，與其間的磁製冷工質換熱。一個 AMR 循環包括 4 個過程：(1)絕熱勵磁過程， 填料床內磁工質溫度上升；(2)冷吹期：等磁場冷卻過程，換熱流體從冷端流過磁工質填料床到熱端，溫度上升到高於熱源溫度向熱源放出熱量；(3)絕熱退磁過程，填料床內每點溫度降低；(4)熱吹期：等磁場加熱過程，流體從熱端流到冷端，溫度降低到冷端溫度以下從冷端吸收熱量。連續實現上述過程就可以實現製冷。在 AMR 工作循環中，填料床內的每個磁工質粒子都單獨經歷相同的熱力循環過程，熱量在磁性工質粒子和換熱流體之間直接傳遞，整個填料床就如同經歷了復疊式熱力循環(實際過程不是真正意義上的復疊循環)，因此單級 AMR 產生的溫跨要遠遠超過磁性工質的磁熱效應產生的溫跨。還可以將填料床做成層狀，每一層可以根據溫度跨度的範圍選擇該溫度範圍內磁熱效應最大的磁性材料，使填料床體兩端產生較大的溫跨。

特性研究

研究方法

目前，AMR強化傳熱特性的研究主要採用數值模擬 、計算分析與實驗分析的手段。如建立磁製冷AMR模型並進行數值計算，討論具有最大製冷量的最優運行條件；採用已知的基本 AMR模型，根據換熱器理論得到 AMR溫度分布的半解析解；採用不同的換熱流體對比強化換熱效果等。

理想熱力學特性

作為磁製冷機的核心部件，AMR 的工作是基於其中磁製冷工質的磁熱效應(Magnetocaloric effect ，MCE)———它是指磁製冷工質在絕熱勵磁(去磁)時向(從)外界放出(吸收)熱量的現象，定量表示為工質的絕熱溫變 ΔTad或等溫磁熵變 ΔSM。MCE 是決定製冷機製冷量和溫跨的關鍵參數。所有磁製冷工質的 MCE 和比熱容在居里點附近隨著溫度和磁場的變化發生劇烈的改變，這種非線性的變化通常依賴於磁工質本身的物性，這就給AMR 分析帶來了困難 。而研究這種變化規律設計出基於理想 MCE 的理想 AMR 模型，對於如何增大製冷量和減少回熱器內的熵產生具有重要的指導意義 。

AMR 損失

制冷機的回熱器中存在多種不可逆損失, 導致製冷量減小, 功耗增加。這些損失包括：傳熱流體與磁工質間的有限換熱損失，填料溫度波動損失，流動壓降損失，壁效應損失，工質偏離理想氣體的損失，以及軸嚮導熱損失和空容積損失。對於被動式回熱器而言，分析這些傳熱和流動過程的不完善性足以了解回熱器內部的損失。但是，在採用磁性材料作為工質的 AMR 中，造成損失的因素卻遠不止這些，下面簡單介紹幾種 AMR 中特有的損失，並指出減小這些損失的方法。

退磁效應

當磁介質在外磁場 Ha 中被磁化時，會在介質內外產生一個與 Ha方向相反的附加場 Hd，稱為退磁場(Demagnetizing Field)。這樣空間某處的局部磁場強度 H 可以表示為：H =Ha-Hd，顯然由於退磁場的存在，H <Ha。對於 AMR中的磁性填料，在每一個磁循環中 , 有如下關係式成立：∫wmag=∫Ba·dm

式中，Ba是由於外磁場作用產生的磁感應強度(μ0Ha)，m 是單位質量的磁化強度(w 是單位質量的磁功)。由於外加磁場 Ha 是定值，要想增大每個磁循環的淨功，就需要增大磁化強度 m。退磁場的存在會減小局部磁場H，從而導致磁介質的磁化強度降低。因此，了解退磁效應對設計和最佳化採用AMR 的磁製冷機具有重要的指導意義。退磁效應依賴於 AMR 內填料的工作條件，幾何尺寸是一個重要的影響因素：細長形狀的回熱器比粗短的回熱器具有更小的退磁場和更大的磁化強度。由於退磁場的存在，AMR 兩端處的磁化強度降低的程度最大。另外，採用永磁鐵的低磁場下(0 ～ 2 T)的退磁效應比高磁場(>5 T)下的更為明顯。

利用係數的影響

通常將傳熱流體的熱容和磁工質熱容的比值稱為利用係數(Utilization)Φ。由於回熱器填料的熱容總是有限的，各截面的填料溫度會發生波動，Φ值越小時，填料的溫度波動損失就越小。但是，由於 AMR 中傳熱流體是用來傳遞冷量的介質，其熱容必須維持在一定值來產生需要到的冷量，這就要求Φ值不能太小。有研究表明，系統COP 隨Φ值的增加單調的下降；而系統的製冷量在Φ取到0.5時最大

間隙中傳熱流體熱負荷

在填料床的間隙中會存在一定量的傳熱流體，這些流體被包圍在填料的空隙中，並不參與流動換熱。在磁工質的勵磁或去磁過程中，這些流體從填料吸熱或向填料放熱，成為附加的熱負荷。重新考慮隙內流體的熱容，推導出磁工質在磁場作用下溫度的變化為，

對於順磁材料和簡單鐵磁材料，定磁場下的磁化強度隨溫度的升高而降低，即，當施加磁場時，溫度升高，dsf〉0，上式中右端一項為正，第二項為負，可以看出，由於間隙中流體的存在，降低了勵磁過程中的溫升。同理，在去磁過程中，間隙流體也會減小溫降。對於採用熱容較小的氣體作為傳熱流體的磁製冷機，這種效應通常可以忽略，但是對於採用液體(如水、乙醇、矽油等)作為傳熱流體的磁製冷機，間隙流體中的熱容將會對制冷機性能產生較大的影響。同時，這些間隙流體的存在也會增大回熱器軸向的熱擴散。

磁工質偏離理想特性損失

式給出了在滿足熵產生為零這一約束條件下，理想磁工質絕熱溫變 ΔTideal(T)所應滿足的關於溫度的函式。在採用單一的歷經二級磁相變磁製冷工質的AMR 中，由於建立溫跨的工質不能滿足 s =β的約束條件，所以無法實現理想的 AMR 循環，這就不可避免的導致熵產生。為了補償磁工質的非理想特性，可以採用多種不同居里溫度的磁工質來構建多層 AMR。目前，多填料 AMR 的優越性已經被實驗證實。

優點

與一般的回熱器相比， AMR每一個單元經歷一個獨立的循環，AMR內換熱損失少，可實現更大的溫度跨度。採用 AMR 循環具有以下益處：(1)不需要外部回熱器，使磁製冷機結構更加緊湊。(2)磁工質的 MCE 作用在整個截面上產生，能最大限度的產生絕熱溫變。(3)換熱是流體和工質之間進行的強制對流換熱，能減少不可逆損失，提高換熱效率。(4)實現多填料分層式回熱器。